Al fine di promuovere una migliore comprensione delle funzioni neurologiche e meccaniche dell’arco longitudinale, questo autore discute il concetto di Longitudinal Arch Load-Sharing System (LALSS) e come l’arco longitudinale gioca un ruolo integrale nel facilitare la flessibilità e la stabilità del carico quotidiano.
L’arco longitudinale del piede umano è una struttura unica nel regno animale. Dudley J. Morton, MD (1884-1960), che era un medico, anatomista e antropologo, ha scritto uno dei libri classici sull’evoluzione del piede umano.1 Ha affermato che lo sviluppo dell’arco longitudinale mediale è stato uno dei fattori più importanti che hanno permesso all’uomo di raggiungere la locomozione bipede.2
Altri autori hanno sostenuto che la ragione principale per lo sviluppo dell’arco longitudinale era quella di irrigidire l’avampiede sul retropiede in modo che i forti muscoli del polpaccio potessero spingere più efficacemente il peso del corpo in avanti durante la camminata e la corsa.3-6 Altri autori hanno suggerito che l’arco longitudinale assorbe lo shock extra, che era richiesto dal portare il peso su due soli arti.7,8
Qualunque sia la ragione del suo sviluppo, l’arco longitudinale crea una morfologia caratteristica del piede umano, che lo rende distinto e separato da tutti gli altri membri del regno animale.
Anche se gli estremi dell’altezza dell’arco longitudinale, che vanno dal pes planus al pes cavus, hanno interessato i professionisti della medicina per oltre 150 anni, i podologi di oggi non solo hanno bisogno di capire gli effetti meccanici dell’altezza dell’arco longitudinale, ma anche di comprendere la biomeccanica dell’arco longitudinale durante le attività di carico (vedi illustrazione a sinistra).9-11
In questo articolo spiegherò in dettaglio un nuovo concetto nella biomeccanica dell’arco longitudinale, il Longitudinal Arch Load-Sharing System (LALSS), per aiutare a spiegare la funzione neurologica e meccanica dell’arco longitudinale, e come l’arco longitudinale permette al piede di esibire il suo squisito equilibrio di flessibilità e stabilità durante le nostre attività quotidiane di carico.12,13
Principi essenziali sulla meccanica dei sistemi di condivisione del carico
Il LALSS è un tipo di “sistema di condivisione del carico”, che è un design comune nei sistemi meccanici ed elettrici. I sistemi di condivisione del carico sono spesso progettati con ridondanza, avendo più componenti che eseguono la stessa operazione in modo che se un componente si guasta, gli altri componenti del sistema saranno ancora in grado di eseguire il compito. Se tutti i componenti funzionano correttamente, il carico su ogni componente del sistema diminuisce. Tuttavia, se un componente si guasta, i carichi sui restanti componenti del sistema di condivisione del carico aumentano. Gli aerei con più motori, le centrali elettriche con più generatori e i computer con più processori sono tutti esempi comuni di sistemi di condivisione del carico.14,15
Un tipo familiare di sistema di condivisione del carico che è meccanicamente analogo all’arco longitudinale del piede è presente nella sospensione posteriore dei camion, dove sia le molle a balestra che gli ammortizzatori smorzano le accelerazioni verticali tra il telaio del camion e il suo asse posteriore. Sia le molle a balestra che gli ammortizzatori lavorano insieme per irrigidire la sospensione posteriore e aiutare a prevenire il cedimento del telaio del camion durante la guida con carichi pesanti o su strade irregolari. Se gli ammortizzatori falliscono nel sistema di condivisione del carico della sospensione posteriore, le molle a balestra avranno un carico maggiore. Se le molle a balestra si rompono, gli ammortizzatori avranno un carico maggiore. Tuttavia, quando ogni componente della sospensione posteriore funziona correttamente, la sospensione del veicolo funziona in modo ottimale e sia le molle a balestra che gli ammortizzatori hanno carichi ridotti.
Di recente sono diventati disponibili ammortizzatori a rigidità variabile per le sospensioni dei veicoli. I conducenti possono regolare manualmente questi ammortizzatori a rigidità variabile durante la guida oppure i microprocessori regolano automaticamente gli ammortizzatori per migliorare il comfort e le caratteristiche di manovrabilità del veicolo.16,17 Le proprietà di controllo di questi ammortizzatori a rigidità variabile nei veicoli sono meccanicamente analoghe alle proprietà di controllo che il sistema nervoso centrale (SNC) usa per regolare la rigidità dell’arco longitudinale al fine di ottimizzare il comfort e l’efficienza meccanica dell’individuo durante la moltitudine di attività di carico che svolge quotidianamente.
Una guida agli elementi portanti di compressione del sistema di ripartizione del carico dell’arco longitudinale
Le forze esterne, costituite dalla forza di reazione al suolo (GRF) che agisce sul retropiede e sull’avampiede, esercitano grandi momenti di appiattimento sull’arco longitudinale. Nessun’altra parte del corpo è regolarmente soggetta a forze esterne così grandi come il piede plantare.18 Durante la camminata, i carichi di picco che agiscono sul piede plantare vanno da 1,1 a 1,5 volte il peso corporeo mentre, durante la corsa, i carichi di picco sono doppi rispetto alla camminata.19 Durante le attività di salto, i carichi di picco che agiscono sul piede plantare possono facilmente superare oltre quattro volte il peso corporeo.20 Inoltre, le forze interne, costituite dalla forza di compressione tibiale che agisce sull’astragalo dorsale e dalla forza di tensione del tendine d’Achille che agisce sul calcagno posteriore, si aggiungono ai momenti di appiattimento eccezionalmente grandi a cui l’arco longitudinale è soggetto durante le nostre attività quotidiane di carico (vedi illustrazione a destra).
Per resistere a queste grandi forze esterne e interne durante la posizione eretta, la camminata, la corsa, il salto e altre attività di carico, l’arco longitudinale deve sviluppare forze interne che resistano alla deformazione e all’appiattimento dell’arco longitudinale. Di conseguenza, l’arco longitudinale è composto da due tipi principali di elementi: 1) gli elementi portanti di compressione, che comprendono le ossa e la cartilagine articolare dell’arco longitudinale; e 2) gli elementi portanti di tensione, che comprendono la fascia plantare, i legamenti plantari e i muscoli plantari intrinseci ed estrinseci del piede.21
Le strutture ossee insieme alla cartilagine articolare ialina dell’arco longitudinale e le sue articolazioni comprendono gli elementi portanti di compressione dell’arco longitudinale. Le ossa dell’arco longitudinale sono eccellenti nel resistere ai carichi di compressione e anche ai carichi di flessione e torsione.22 La cartilagine ialina articolare che ricopre le superfici delle articolazioni dell’arco longitudinale non serve solo come ammortizzatore interosseo per l’arco longitudinale, ma fornisce anche uno scorrimento a basso attrito e la riduzione delle pressioni di picco dell’osso subcondrale nelle articolazioni dei pedali.23
Le ossa dell’arco longitudinale servono anche come punti di attacco per gli elementi portanti di tensione del LALSS e formano l’ossatura strutturale dell’arco longitudinale. Proprio come le travi di legno del tetto di una casa resistono alle forze di compressione, flessione e torsione dovute ai carichi verticali e di taglio che agiscono sul tetto dalla neve e dal vento, le ossa dell’arco longitudinale resistono alle forze di compressione, flessione e torsione dovute ai carichi verticali e di taglio che agiscono sul piede plantare. I cicli di carico e scarico dell’arco longitudinale provocano l’appiattimento e l’innalzamento dell’arco longitudinale, che normalmente avviene senza danni per l’individuo, migliaia di volte ogni giorno, settimana dopo settimana, mese dopo mese e anno dopo anno.
Comprendere gli elementi portanti di tensione del sistema di condivisione del carico dell’arco longitudinale
Gli elementi portanti di compressione (cioè ossa e cartilagine articolare) dell’arco longitudinale non possono, da soli, resistere all’appiattimento dell’arco longitudinale. Hanno bisogno di elementi interni di supporto che possano fornire forze di tensione plantare per aiutare a resistere all’appiattimento dell’arco. Queste forze interne provengono dai quattro strati di elementi portanti di tensione del LALSS: la fascia plantare, i muscoli plantari intrinseci, i muscoli estrinseci dell’arco plantare longitudinale e i legamenti plantari. Queste strutture portanti di tensione situate plantarmente lavorano sinergicamente per regolare la rigidità dell’arco longitudinale in modo che si verifichi un appiattimento ottimale dell’arco longitudinale durante tutte le attività di carico del peso.
La fascia plantare ha origine dal tubercolo calcaneare mediale prossimalmente e si inserisce come cinque scivolamenti separati sulle basi delle falangi prossimali di tutte e cinque le dita, ed è lo strato più superficiale degli elementi portanti di tensione della LALSS.24 La fascia plantare è una struttura elastica che è soggetta a forze che gli autori hanno stimato essere 0,96 volte il peso del corpo in esperimenti simulati su cadaveri.25,26 Inoltre, la classica ricerca di Hicks sulla biomeccanica della fascia plantare ha dimostrato un “effetto verricello” di innalzamento dell’arco con la dorsiflessione dell’alluce e un “verricello inverso” di abbassamento dell’arco con la plantarizzazione dell’alluce.27 La dissezione della fascia plantare riduce la rigidità longitudinale dell’arco, che a sua volta produce un appiattimento e un allungamento dell’arco longitudinale.28-30 Come i legamenti plantari, la tensione all’interno della fascia plantare non è sotto il controllo diretto del sistema nervoso centrale, ma è regolata passivamente dalle alterazioni della forma dell’arco longitudinale.13
I muscoli intrinseci plantari formano lo strato successivo degli elementi portanti di tensione della LALSS, essendo appena in profondità della fascia plantare (vedi illustrazione a sinistra). I muscoli abduttore hallucis, flessore digitorum brevis, abduttore digiti quinti e quadratus plantae sono i muscoli intrinseci plantari più importanti quando si tratta di prevenire l’appiattimento e l’allungamento dell’arco longitudinale, mentre gli altri muscoli intrinseci plantari hanno probabilmente un ruolo minore.31 Kelly e colleghi hanno dimostrato in una recente ricerca di elettromiografia a filo sottile (EMG) che il sistema nervoso centrale attiva i muscoli intrinseci plantari per aiutare a irrigidire l’arco longitudinale per aiutare l’equilibrio, aiutare a prevenire l’appiattimento dell’arco con l’aumento delle forze di carico verticale e irrigidire l’arco più durante la corsa che durante la camminata.32-34
I muscoli estrinseci dell’arco longitudinale plantare formano il successivo strato di elementi portanti di tensione del LALSS, appena in profondità rispetto ai muscoli intrinseci plantari (vedi illustrazione a destra). Questi muscoli estrinseci includono i muscoli tibiali posteriori, il flessore digitorum longus, il flessore hallucis longus e il peroneus longus. I tendini del tibiale posteriore e del peroneo lungo attraversano plantarmente l’arco e causano un momento di plantare dell’avampiede, che aiuta a resistere all’appiattimento longitudinale dell’arco. Il flexor hallucis longus e il flexor digitorum longus si inseriscono entrambi distalmente alle articolazioni metatarso-falangee (MPJ), quindi la loro attività contrattile genera un momento di plantare dell’avampiede a causa della maggiore forza di compressione diretta prossimalmente che agisce sulle teste metatarsali distali.21
I legamenti plantari formano lo strato più profondo degli elementi portanti di tensione delle LALSS e, come la fascia plantare, sono strutture passive che avranno un aumento delle forze di tensione solo quando l’arco longitudinale è allungato e appiattito. Crary e colleghi hanno scoperto che la tensione del legamento elastico è aumentata del 52% e la tensione del legamento plantare lungo è aumentata del 94% dopo la fasciotomia plantare in piedi di cadavere.35 Pertanto, anche senza attività del sistema nervoso centrale, la fascia plantare e i legamenti plantari possono aiutare a prevenire l’appiattimento dell’arco longitudinale usando solo meccanismi passivi.
Come funziona il sistema di condivisione del carico dell’arco longitudinale
L’arco longitudinale ha molteplici funzioni durante le attività di sostegno del peso. L’arco deve essere in grado di appiattirsi per smorzare le forze di impatto verticale e deve modificare la sua forma quando il piede plantare incontra un terreno irregolare. Inoltre, l’arco longitudinale deve essere in grado di resistere alla deformazione di appiattimento durante le attività propulsive in modo che le forze muscolari dei potenti muscoli gastrocnemio e soleo si trasferiscano all’avampiede plantare con la massima efficienza meccanica. Il sistema nervoso centrale controlla la rigidità dell’arco longitudinale monitorando continuamente l’input sensoriale dal sistema nervoso periferico e successivamente inviando output motori ai muscoli intrinseci ed estrinseci della LALSS al fine di ottimizzare la funzione portante del piede, dell’estremità inferiore e dell’intero individuo.12
I quattro strati di elementi portanti di tensione della LALSS sopra menzionati sono divisi in elementi passivi e attivi. Poiché il sistema nervoso centrale non controlla gli elementi passivi, la fascia plantare e i legamenti plantari, essi saranno soggetti a maggiori forze di tensione solo quando l’arco longitudinale si appiattisce e si allunga. Tuttavia, poiché il sistema nervoso centrale controlla gli elementi attivi, i muscoli intrinseci ed estrinseci dell’arco plantare, questi possono essere attivati o disattivati quando il sistema nervoso centrale determina che è necessario un maggiore o minore irrigidimento dell’arco longitudinale. Pertanto, i legamenti plantari e la fascia plantare forniscono un livello base di rigidità dell’arco longitudinale, mentre l’attivazione del sistema nervoso centrale dei muscoli plantare intrinseco ed estrinseco aumenta la rigidità dell’arco longitudinale oltre questo livello base per ottimizzare la funzione di carico del piede e dell’individuo.12
Una delle più importanti caratteristiche di progettazione meccanica del LALSS è che, come per qualsiasi altro sistema di condivisione del carico, se un elemento del LALSS fallisce, l’arco longitudinale continuerà a funzionare, resistendo alla deformazione da appiattimento. Tuttavia, con il cedimento di un elemento portante del LALSS, si verificherà un aumento delle richieste di tensione sui restanti elementi del LALSS. Per esempio, con una rottura della fascia plantare o una fasciotomia plantare, l’arco longitudinale non collassa totalmente, ma i legamenti plantari e i muscoli plantari intrinseci ed estrinseci sviluppano maggiori forze di tensione per mantenere la rigidità longitudinale e prevenire un eccessivo appiattimento dell’arco longitudinale (vedi illustrazione a sinistra). Senza questo sistema unico e sinergico di condivisione del carico all’interno del piede, l’arco longitudinale probabilmente non avrebbe la rigidità o la forza per mantenere la sua forma e funzionare correttamente su base giornaliera per tutta la vita dell’uomo bipede.12
Una rapida panoramica sulla dinamica del controllo passivo del sistema di condivisione del carico dell’arco longitudinale
Come ho notato prima, il sistema nervoso centrale non controlla direttamente gli elementi passivi del LALSS, la fascia e i legamenti plantari. Come tali, questi elementi passivi possono esercitare forze di tensione solo quando l’avampiede dorsiflette sul retropiede o, in altre parole, quando l’arco longitudinale si appiattisce e si allunga. Così, quando la fascia plantare e i legamenti plantari si allungano con l’appiattimento dell’arco, l’arco longitudinale continuerà ad appiattirsi fino a quando ci saranno sufficienti momenti di plantare interno dell’avampiede per impedire un ulteriore appiattimento e allungamento dell’arco longitudinale, permettendo all’arco longitudinale di diventare stabile sul terreno.
I ricercatori hanno dimostrato una relazione meccanica diretta tra la tensione del tendine di Achille e la tensione della fascia plantare.26,36 Durante la camminata o la corsa, quando il centro di massa del corpo si sposta più anteriormente rispetto al piede e la forza di reazione del terreno aumenta sull’avampiede plantare, l’aumento della forza del tendine d’Achille che si verifica causerà anche un aumento della forza di tensione all’interno della fascia plantare e dei legamenti plantari. Quindi, gli aumenti della forza di reazione del terreno che agiscono sull’avampiede plantare e che causano un aumento della tensione passiva all’interno della fascia plantare e dei legamenti plantari hanno un profondo effetto biomeccanico sulla capacità delle articolazioni del mesotelio e del mesopiede di resistere alla dorsiflessione durante il midstance tardivo e la propulsione.
Pertinenti approfondimenti sul meccanismo di auto-rigidità dell’arco longitudinale
Un quarto di secolo fa, Dananberg ha descritto un “effetto cuneo e capriata di bloccaggio”, che ha attribuito alla contrazione della fascia plantare durante l’andatura e descritto come un “meccanismo di auto-rigidità.”37 Più recentemente, Kirby ha descritto un’altra funzione automatica del piede, il meccanismo di auto irrigidimento dell’arco longitudinale, che permette l’irrigidimento automatico dell’intero arco longitudinale mentre il piede progredisce dall’inizio alla fine della fase di midstance dell’andatura (vedi illustrazione a destra).38
Il meccanismo di auto irrigidimento dell’arco longitudinale è un prodotto del legame meccanico integrale che esiste tra il tendine d’Achille, i legamenti plantari e la fascia plantare. L’effetto di questo aumento passivo della tensione della fascia plantare e dei legamenti plantari con l’aumento della forza di reazione del terreno sull’avampiede è un irrigidimento automatico dell’arco longitudinale. Questo irrigidimento automatico dell’arco longitudinale non solo aiuta a limitare l’ulteriore appiattimento e l’allungamento dell’arco longitudinale durante il tardo midstance, ma avviene anche senza alcuna attivazione diretta del sistema nervoso centrale della fascia plantare e dei legamenti plantari.12,13
Il meccanismo di irrigidimento automatico dell’arco longitudinale è direttamente dovuto alla costruzione unica del piede umano, della caviglia e delle estremità inferiori. In primo luogo, gli elementi ossei dell’arco longitudinale formano una struttura ad arco unica, che ha il supporto dei due elementi portanti in tensione situati plantarmente del LALSS, la fascia plantare e i legamenti plantari. In secondo luogo, il tendine d’Achille, attaccandosi al calcagno posteriore ed essendo posteriore all’asse dell’articolazione della caviglia, esercita sia un momento simultaneo di flessione dell’articolazione della caviglia che un momento di flessione del retropiede con un aumento delle sue forze di tensione. Questo aumento del momento di plantareflessione del retropiede, dovuto all’aumento della tensione del tendine d’Achille durante la tarda midstance, tende a causare un appiattimento dell’arco longitudinale, aumentando automaticamente la rigidità dell’arco longitudinale.38
Il meccanismo di auto-rigidità dell’arco longitudinale è diventato evidente per la prima volta nel 2004. A quel tempo, due altri ricercatori di biomeccanica ed io abbiamo eseguito degli esperimenti presso il laboratorio di biomeccanica della Pennsylvania State University con campioni di piede-gamba di cadavere appena congelati.39 I tendini di Achille di questi campioni erano legati a un cavo d’acciaio in modo che, anche in questi piedi senza vita e senza controllo muscolare attivo del sistema nervoso centrale, l’arco longitudinale diventava più rigido con l’aumento dei carichi plantari sull’avampiede. Queste osservazioni sperimentali hanno suggerito che non era necessaria alcuna energia metabolica supplementare per produrre l’irrigidimento dell’arco longitudinale e solo un aumento della tensione del tendine di Achille era necessario per resistere ai momenti di dorsiflessione dell’articolazione della caviglia che si verificano a causa della forza di reazione del terreno che agisce sull’avampiede plantare. Quindi, grazie al collegamento meccanico tra il tendine d’Achille, la fascia plantare e i legamenti plantari, il meccanismo di auto irrigidimento dell’arco longitudinale ha probabilmente migliorato notevolmente le capacità di locomozione dell’uomo bipede nel corso dei millenni, diminuendo il costo metabolico del camminare e del correre.38
Cosa si deve sapere sul controllo attivo del sistema di ripartizione del carico dell’arco longitudinale
Gli elementi attivi del LALSS, i muscoli intrinseci plantari e i muscoli tibiale posteriore, flessore digitorum longus, flessore hallucis longus e peroneus longus, lavorano tutti insieme sotto il controllo del sistema nervoso centrale per rendere il piede un organo portante meccanicamente più efficiente e stabile per il corpo umano. Il sistema nervoso centrale ha la capacità di rendere più rigidi gli archi longitudinali mediali o laterali se il sistema nervoso centrale determina che questi aumenti di rigidità dell’arco ottimizzeranno le attività di carico dell’individuo.12
Per esempio, affinché il piede rimanga plantigrado in rapide manovre laterali o per conformarsi a una superficie inclinata, il sistema nervoso centrale può aumentare la rigidità dell’arco longitudinale mediale mentre non modifica la rigidità dell’arco longitudinale laterale. Come ho detto prima, questo meccanismo di controllo centrale del LALSS da parte del sistema nervoso centrale è meccanicamente analogo a un ammortizzatore controllato da un microprocessore in una sospensione avanzata del veicolo che può aumentare l’efficienza meccanica, la sicurezza e il comfort di guida. Allo stesso modo, la capacità del sistema nervoso centrale di utilizzare il design unico del LALSS per regolare continuamente e con precisione la rigidità longitudinale dell’arco fornisce una funzione meccanicamente più efficiente del piede, che a sua volta permette all’individuo di evitare lesioni durante la moltitudine di attività che porta il peso che svolge durante la vita.12
In conclusione
Oltre sei secoli fa, dopo i suoi studi approfonditi sull’anatomia del corpo umano, Leonardo Da Vinci scrisse che “il piede umano è un capolavoro di ingegneria e un’opera d’arte”.40 L’arco longitudinale del piede umano è una di quelle meraviglie di ingegneria unica nel regno animale. Con una combinazione di elementi passivi che forniscono una rigidità di base all’arco longitudinale e di elementi attivi che permettono una regolazione continua della rigidità dell’arco longitudinale su questa linea di base, l’uomo bipede trae indubbiamente notevoli benefici da questo meccanismo perfettamente calibrato all’interno dell’appendice portante, il piede. Apprezzando pienamente l’elegante complessità ingegneristica dell’arco longitudinale del piede, il podologo migliorerà notevolmente la sua capacità di comprendere la funzione del piede e, quindi, progettare trattamenti conservativi e chirurgici più efficaci per i pazienti.
Il dottor Kirby è professore associato aggiunto presso il dipartimento di biomeccanica applicata alla California School of Podiatric Medicine della Samuel Merritt University di Oakland, California. Svolge la sua attività privata a Sacramento, Calif.
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